门座起重机臂架系统可靠性分析

邱旭东　张彬彬

摘 要：本文对门座起重机臂架系统的构件进行有限元分析，并在此基础上对该型号起重机进行故障影响分析。

关键词： 门座起重机；臂架系统；可靠性分析

在一些港口和船舶制造厂里面，往往要用到一种非常常见的器械，那就是门座起重机，在港口和船舶制造厂里这种设备是必不可少的，在很多地方都要用到它，利用门座起重机来对一些重物进行搬运工作。根据起重臂的形式不同，可以将门座起重机分为两种，一种是四连杆组合臂架式，另一种是单臂架式。很多门座起重机在实际的工作中，大多都服役了多年，一些主要的部件出现了腐蚀现象，这导致了某些部位的材质变薄，使得门座起重机的可靠性降低。本文研究的门座起重机是组合臂架式的，这种结构臂架下面的空間比较大，在同样的起升高度要求下，这种起重机的形式可以用较低的高度来实现同样的功能，但是这样就使得结构变得复杂，自身的重量也比较大。

四连杆组合臂架由几种结构组成四连杆机构，这些杆件分别是象鼻梁，扒杆，刚性拉杆等，利用这种结构，可以实现水平方向的移动，从而可以搬运一些需要水平移动的重物。对于门座起重机来说，如果是组合臂架系统的话，它也是由扒杆、象鼻梁、刚性拉杆这几部分组成，这几个构件与人字架共同组成一种四杆机构，因此，就将其称为四连杆组合臂架系统。

1.有限元计算及结果分析

门座起重机臂架系统的每个构件在整体的运作中都要发挥作用，要对各个部分作出分析需要进行大量的计算，本文中仅以象鼻梁为例进行分析，其他部件的分析过程与象鼻梁大致相同。象鼻梁的结构比较简单，由角钢、扁钢、垫圈、铆钉等部件构成，它关于纵向的截面对称，这种对称性可以为计算带来一定的便利，只需要对其一半进行分析就可以了。

1.1象鼻梁建模

象鼻梁结构呈对称分布，因此只取其对称的一半进行研究，在某些位置施加位移约束，为了保证计算的精度要求，在对象鼻梁进行单元划分的时候，主要采取四节点等参薄壳单元，另外在某些特殊的部位采用了三个节点，划分单元的时候，单元的长度是四十毫米，某些局部进行了细化，最后划分完单元之后，总共有节点七万个，单元65002个。象鼻梁的有限元模型如下图所示。

1.2载荷及载荷组合

象鼻梁受到的载荷主要可以分为以下几种：

（1）象鼻梁结构和其所包含的部件的自重，为了使计算简便，认为自重是均匀分布在主梁上的；

（2）在进行起吊工作时，还收到吊具本身的重量和重物的重量，我们在计算的时候，取臂架最大幅度的位置进行，这种情况下可以最大吊起50吨的重量；

（3）在升起和制动的时候，由于垂直惯性力的作用，也使得象鼻梁受到载荷，这与起升的速度、系统的刚度等有关。

（4）刚性拉杆的自重；

（5）所吊物体的水平惯性力。门座起重机变幅制动和旋转制动时， 悬吊物品会出现摆动， 从而使起升绳相对铅垂线偏摆一定的角度， 从而引起附加的水平力.该力通常用起升钢丝绳的偏摆角计算。

1.3计算工况

根据起重机运行特点， 通常考虑以下几种工况：

第一种工况：自重作用下象鼻梁强度， 此时作用载荷只有自重；

第二种工况：起升机构起动， 物品突然离地、其它机构均不工作， 此时， 计及Ⅱ 类载荷最大动力系数φ′2 （本文取φ′2 =1.3）， 此时同时作用的载荷全部在臂架摆动平面内；

第三种工况：起重机带载正常运行， 起升机构、变幅机构同时制动.即计及起升机构正常制动造成的动力系数φ2 （本文取φ2 =1.25）， 吊物以工作状态下最大偏摆角αmax内偏， 此时同时作用的载荷全部在臂架摆动平面内；

第四种工况：起重机处于带载正常运转状态， 起升机构、旋转机构同时制动.即计及起升机构正常制动引起的动力系数φ2 （本文取φ2 =1.25）以及象鼻梁自重引起的切向惯性力；物品以工作状态下最大偏摆角αⅡ 沿垂直臂架方向偏摆.此时同时作用的载荷在臂架摆动平面内。

2.门座起重机故障影响分析

故障模式与影响分析常记做FEMA， 它是用来确定故障原因的一种方法， 它通过找出系统的潜在故障对系统的影响， 使产品更为完善， 从而提高其可靠度.这种方法可以用于从系统到零件部件的任何一个层次.FMECA（危害度分析）比FEMA更进一步， 它用来分析判断这种影响的危害度有多大.FMECA不仅用归纳方法对系统的可靠性或者安全性做了定性分析， 而且还给出了近似的定量分析方法.它可以帮助设计人员深入了解系统的故障模式、影响及危害的程度， 从而采取措施修改设计减少其危害.

采用FMECA方法对臂架系统进行定量分析时各参数取值及具体结果详见下表。

3.结语

本文分析表明该起重机在使用过程中存在着一定的安全隐患，为了避免事故的发生，可以根据有限元分析计算结果和故障影响分析结论，对起重机的关键部位进行定期检查，针对不同的问题，采取相应的策略及时修复，以保障安全生产。

参考文献：

[1]“M10—33门座起重机四连杆臂架系统的动力学研究──刚柔耦合多体机械动力学建模”在武汉通过技术鉴定[J].武汉交通科技大学学报，1995，03：320.